1.1變壓器的基本工作原理

       變換電能以及把電能從一個電路傳遞到另一電路的靜止電磁裝置稱為變壓器。在交流電路中,借助變壓器能夠變換交流電壓、電流和波形。每次變換通常是能量通過電磁方式傳遞到另一電路,而與該電路無直接聯系。但也可通過電磁—電的方式進行變換 , 這種變壓器即稱為自耦變壓器。

       應該指出,變壓器同時變換的不是一個而是幾個電參數。例如,在變換電壓時,電流同時也產生變化。

變壓器在電子設備中占有很重要的地位,電源設備中交流電壓和直流電壓幾乎都由變壓器通過變換、 整流而獲得。在電路的隔離、匹配及阻抗變換等方面絕大多數是通過變壓器來實現的。

       簡單的變壓器原理圖示于圖1-1。它由閉合的導磁體( 鐵心 )和二個繞組組成。其中一個繞組與交流電源相連接 ,我們稱其為初級繞組；另一繞組與負載相連,該繞組稱作次級繞組。
 

         首先研究變壓器的空載狀態即次級繞組與負載斷開的狀態(圖1-2)。如果初級繞組與交流電壓為U₁的電源相連，在該繞組中將產生交變電流I₀,該電流稱作空載電流。這個電流建立了沿鐵心磁路而閉合的交變磁通Φ₀,它同時穿過初級繞組和次級繞組,并在繞組中產生感應電動勢。按電磁感應定律,其有效值為

E₁=4K_ΦfN₁ B_m S_c×10^-4                                              (1—1)

E₂=4K_ΦfN₂ B_m S_c×10^-4                                              (1—2)

式中 E₁—初級自感電勢(V)；

E₂—次級互感電勢(V)；

K_Φ—電壓的波形因數,對于正弦波, K_Φ=1.11,對于方波, K_Φ=1；

f—交流電源的頻率(Hz)；

N₁—初級繞組的匝數；

N₂—次級繞組的匝數；

B_m—磁感應強度振幅值(T)；

S_c—鐵心有效截面積(cm²)。

由式(1—1)和式(1—2)可見,繞組中的感應電勢正比于該繞組的匝數。將式(1—1) 除以式(1-2) 得：

E₁      N₁

E₂  ⁼  N₂                                                                                                               (1—3)

如果忽略初級繞組和鐵心的損耗, 并假定所有磁通都沿著鐵心的磁路而閉合, 則在初級繞組中的磁通Φ₀所產生的自感電勢E₁, 按楞次定律, 其數值與所加電壓相等, 而其符號相反, 即

U₁ = -E₁                                                                                                            (1—4)

實際上, 變壓器空載電流 ,除了為在變壓器鐵心中建立磁通Φ₀ 所需的磁化分量 I_Φ 之外,還包括由于鐵心損耗所引起的有功分量I_C ,因此 ,空載電流

 I₀ = I_Φ+I_C                                                                                        (1—5)

此外,變壓器初級繞組具有直流電阻 r₁ ,因而在初級繞組中產生有功電壓降Δu₁

Δu₁ = I₀r_l = -E_a1                                                                                            (1—6)

式中  E_a1—為補償初級繞組電壓降而假定的電動勢。

 流過初級繞組的電流 ,不僅建立沿鐵心的磁路閉合的主磁通Φ₀ , 而且建立沿空氣閉合的漏磁通Φ_sl (圖 1—2),這個漏磁通在初級繞組中感應漏電勢, 即

E_s1 = I₀X_s1                                                                                                       (1—7)

式中  X_s1—初級繞組的漏感抗。

根據電動勢相平衡的定律, 外施電壓U₁ 應與 E₁ 、 E_a1 和 E_s1 的矢量相平衡, 即

U₁ = -( E₁+E_a1+E_s1)

=-E₁+I₀r₁+I₀X_s1                                                                                           (1—8)